BR102015011276B1 - Apparatus for heat recovery and temperature control, and method for heat recovery and temperature control - Google Patents

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Abstract

APARELHO. As modalidades descritas aqui provêm a recuperação de calor e controle de temperatura de uma SOFC para um veículo submersível. O veículo inclui uma SOFC, uma caixa quente que envolve a SOFC, uma malha de resfriamento, e um motor de Stirling. A malha de resfriamento tem um trocador de calor e uma bomba de agente de resfriamento. O trocador de calor acopla termicamente a malha de resfriamento à àgua. O motor de Stirling tem uma primeira extremidade, acoplada termicamente a um interior da caixa quente e uma segunda extremidade, acoplada termicamente à malha de resfriamento. A bomba de agente de resfriamento modifica uma taxa de remoção de calor a partir da segunda extremidade do motor de Stirling com base em um sinal de controle de bomba. Um controlador de gestão térmica monitora uma temperatura de uma saída de cátodo da SOFC, e modifica o sinal de controle de bomba para manter a temperatura da saída de cátodo dentro de uma variação de temperatura.DEVICE. The modalities described here provide for heat recovery and temperature control from an SOFC to a submersible vehicle. The vehicle includes an SOFC, a hot box that surrounds the SOFC, a cooling loop, and a Stirling engine. The cooling loop has a heat exchanger and a cooling agent pump. The heat exchanger thermally couples the cooling loop to the water. The Stirling engine has a first end, thermally coupled to an interior of the hot box and a second end, thermally coupled to the cooling loop. The coolant pump modifies a rate of heat removal from the second end of the Stirling engine based on a pump control signal. A thermal management controller monitors a temperature of an SOFC cathode output, and modifies the pump control signal to maintain the cathode output temperature within a temperature range.

Description

CampoField

[001] Esta exposição se refere ao campo de veículos submersíveis, e em particular, a veículos submersíveis que utilizam Células de Combustível de Óxido Sólido (SOFCs) para geração de energia elétrica.[001] This exposition refers to the field of submersible vehicles, and in particular, to submersible vehicles that use Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) for electrical power generation.

Antecedentesbackground

[002] Veículos submersíveis (por exemplo, Veículos Submarinos Não Tripulados (UUVs)), às vezes, utilizam células de combustível para gerar eletricidade. Um exemplo de uma célula de combustível é uma Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC). As SOFCs operam por converter eletroquimicamente combustível e oxigênio para eletricidade e calor. As SOFCs típicas operam entre cerca de 650-850 graus Celsius, e o processo de conversão é exotérmico. Este gera uma grande quantidade de calor perdido, o que pode ser problemático em um UUV. Tipicamente, o calor perdido é removido a partir do UUV usando uma malha de resfriamento, que transfere o calor para a água que envolve o UUV.[002] Submersible vehicles (eg Unmanned Underwater Vehicles (UUVs)) sometimes utilize fuel cells to generate electricity. An example of a fuel cell is a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). SOFCs operate by electrochemically converting fuel and oxygen to electricity and heat. Typical SOFCs operate between about 650-850 degrees Celsius, and the conversion process is exothermic. This generates a lot of wasted heat, which can be problematic in a UUV. Typically, lost heat is removed from the UUV using a cooling mesh, which transfers heat to the water surrounding the UUV.

[003] Para o controle de temperatura da SOFC propriamente dita, um soprador de cátodo é utilizado tanto para prover oxigênio para o cátodo da SOFC quanto para prover resfriamento para uma SOFC. Quando a temperatura da SOFC se eleva próximo da extremidade superior da faixa de operação, a velocidade do soprador de cátodo é aumentada para prover resfriamento adicional para a SOFC. Todavia, o soprador de cátodo pode utilizar uma quantidade significante de energia elétrica parasítica a partir da SOFC para a atividade de resfriamento, que reduz a energia elétrica que é disponível para o UUV. Por exemplo, um soprador de cátodo pode utilizar tanto quanto 20% da energia elétrica total gerada a partir da SOFC, quando operado em sua vazão máxima. Esta vazão máxima é frequentemente muito mais alta que a vazão que é necessária para oxidar o combustível na SOFC. Sumário[003] For the temperature control of the SOFC itself, a cathode blower is used both to provide oxygen to the cathode of the SOFC and to provide cooling to a SOFC. When the SOFC temperature rises near the upper end of the operating range, the cathode blower speed is increased to provide additional cooling for the SOFC. However, the cathode blower can use a significant amount of parasitic electrical energy from the SOFC for the cooling activity, which reduces the electrical energy that is available to the UUV. For example, a cathode blower can utilize as much as 20% of the total electrical energy generated from the SOFC when operated at its maximum flow rate. This maximum flow rate is often much higher than the flow rate that is needed to oxidize the fuel in the SOFC. summary

[004] Modalidades descritas aqui provêm para recuperação de calor e controle de temperatura de uma SOFC para um veículo submersível utilizando um motor de Stirling. O motor de Stirling utiliza um diferencial de temperatura para gerar trabalho útil, que pode então ser usado no veículo para aumentar a capacidade de geração elétrica da SOFC. Ainda, o motor de Stirling opera como um dissipador de calor variável em a SOFC, que pode controlar a temperatura da SOFC. Por exemplo, por aumento de um diferencial de temperatura através do motor de Stirling, uma temperatura da SOFC pode ser controlada sem recorrer a uma alta vazão de soprador de cátodo. Isto melhora a eficiência do sistema por reduzir as perdas parasíticas a partir do soprador de cátodo.[004] Modalities described here provide for heat recovery and temperature control from a SOFC to a submersible vehicle using a Stirling engine. The Stirling engine uses a temperature differential to generate useful work, which can then be used in the vehicle to increase the electrical generating capacity of the SOFC. Furthermore, the Stirling engine operates as a variable heat sink in the SOFC, which can control the temperature of the SOFC. For example, by increasing a temperature differential across the Stirling engine, an SOFC temperature can be controlled without resorting to a high flow rate cathode blower. This improves system efficiency by reducing parasitic losses from the cathode blower.

[005] Uma modalidade é um veículo, que é configurado para submergir na água. O veículo inclui uma SOFC que tem uma entrada de cátodo, uma saída de cátodo, uma entrada de ânodo, e uma saída de ânodo. O veículo inclui ainda uma caixa quente que envolve a SOFC. O veículo inclui ainda uma malha de resfriamento que inclui um trocador de calor e uma bomba de agente de resfriamento. O trocador de calor acopla termicamente A malha de resfriamento à água. O veículo inclui ainda um motor de Stirling que tem uma primeira extremidade, acoplada termicamente a um interior da caixa quente, e uma segunda extremidade, acoplada termicamente à malha de resfriamento. A bomba de agente de resfriamento é configurada para modificar uma taxa de remoção de calor a partir da segunda extremidade do motor de Stirling com base em um sinal de controle de bomba. O veículo inclui ainda um controlador de gestão térmica, que é configurado para monitorar uma temperatura da saída de cátodo da SOFC, e para modificar o sinal de controle de bomba para manter a temperatura da saída de cátodo da SOFC dentro de uma variação de temperatura.[005] One modality is a vehicle, which is configured to submerge in water. The vehicle includes an SOFC which has a cathode inlet, a cathode outlet, an anode inlet, and an anode outlet. The vehicle also includes a hot box that surrounds the SOFC. The vehicle further includes a cooling loop that includes a heat exchanger and a cooling agent pump. The heat exchanger thermally couples the cooling loop to the water. The vehicle further includes a Stirling engine that has a first end, thermally coupled to an interior of the hot box, and a second end, thermally coupled to the cooling loop. The coolant pump is configured to modify a rate of heat removal from the second end of the Stirling engine based on a pump control signal. The vehicle further includes a thermal management controller, which is configured to monitor a temperature of the SOFC cathode output, and to modify the pump control signal to maintain the SOFC cathode output temperature within a temperature range.

[006] Outra modalidade é um veículo, configurado para submergir na água. O veículo inclui uma SOFC que tem uma entrada de cátodo, uma saída de cátodo, uma entrada de ânodo, e uma saída de ânodo. O veículo inclui ainda uma caixa quente que envolve a SOFC. O veículo inclui ainda um soprador de cátodo tendo uma saída e uma entrada. A entrada do soprador de cátodo é acoplada à saída de cátodo da SOFC. O soprador de cátodo é configurado para modificar uma taxa de resfriamento provida para a SOFC com base em um sinal de controle de soprador de cátodo. O veículo inclui ainda um motor de Stirling tendo uma primeira extremidade, acoplada termicamente a um interior da caixa quente e uma segunda extremidade, acoplando a saída do soprador de cátodo à entrada de cátodo da SOFC. O soprador de cátodo é configurado para modificar uma taxa de remoção de calor a partir da segunda extremidade do motor de Stirling com base no sinal de soprador de cátodo. O veículo inclui ainda um controlador de gestão térmica, que é configurado para monitorar uma temperatura da saída de cátodo da SOFC, e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo para manter a temperatura da saída de cátodo da SOFC dentro de uma variação de temperatura.[006] Another modality is a vehicle, configured to submerge in water. The vehicle includes an SOFC which has a cathode inlet, a cathode outlet, an anode inlet, and an anode outlet. The vehicle also includes a hot box that surrounds the SOFC. The carrier further includes a cathode blower having an outlet and an inlet. The cathode blower input is coupled to the SOFC cathode output. The cathode blower is configured to modify a cooling rate provided to the SOFC based on a control signal from the cathode blower. The vehicle further includes a Stirling engine having a first end thermally coupled to an interior of the hot box and a second end coupling the cathode blower outlet to the SOFC cathode inlet. The cathode blower is configured to modify a rate of heat removal from the second end of the Stirling engine based on the cathode blower signal. The vehicle further includes a thermal management controller, which is configured to monitor a temperature of the SOFC cathode output, and to modify the cathode blower control signal to maintain the SOFC cathode output temperature within a range of temperature.

[007] Outra modalidade é um método de controle de uma temperatura de uma SOFC utilizando um motor de Stirling. O método compreende monitorar uma temperatura de uma saída de cátodo de uma SOFC, onda SOFC é circundada por uma caixa quente, que é termicamente acoplada a uma primeira extremidade do motor de Stirling. O método compreende ainda modificar uma taxa de remoção de calor a partir de uma segunda extremidade do motor de Stirling para manter a temperatura da saída de cátodo da SOFC dentro de uma variação de temperatura.[007] Another modality is a method of controlling a temperature of a SOFC using a Stirling engine. The method comprises monitoring a temperature of a cathode output of a SOFC, the SOFC wave is surrounded by a hot box, which is thermally coupled to a first end of the Stirling engine. The method further comprises modifying a rate of heat removal from a second end of the Stirling engine to maintain the SOFC cathode outlet temperature within a temperature range.

[008] O sumário acima provê uma compreensão básica de alguns aspectos da descrição. Este sumário não é uma visão geral extensiva da descrição. Ele não é destinado nem para identificar nem elementos-chaves ou elementos críticos da descrição nem de delinear qualquer escopo particular das modalidades da especificação, ou qualquer escopo das reivindicações. Seu único propósito é o de apresentar alguns conceitos da descrição de uma forma simplificada, como um prelúdio para a descrição mais detalhada que é apresentada posteriormente.[008] The above summary provides a basic understanding of some aspects of the description. This summary is not an extensive overview of the description. It is not intended either to identify either key elements or critical elements of the description nor to delineate any particular scope of specification modalities, or any scope of claims. Its sole purpose is to present some concepts of the description in a simplified form, as a prelude to the more detailed description that is presented later.

[009] Descrição dos Desenhos[009] Description of Drawings

[0010] Algumas modalidades são agora descritas, somente a título de exemplo, e com referência aos desenhos anexos. O mesmo número de referência representa o mesmo elemento ou o mesmo tipo de elemento em todos os desenhos.[0010] Some embodiments are now described, by way of example only, and with reference to the accompanying drawings. The same reference number represents the same element or the same element type in all drawings.

[0011] A figura 1 ilustra um veículo submersível que utiliza um motor de Stirling para recuperação de calor e controle de temperatura de uma SOFC, numa modalidade de exemplo.[0011] Figure 1 illustrates a submersible vehicle that uses a Stirling engine for heat recovery and temperature control of an SOFC, in an example mode.

[0012] A figura 2 é um diagrama de blocos de um veículo submersível que utiliza um motor de Stirling para recuperação de calor e controle de temperatura para uma SOFC, numa modalidade de exemplo.[0012] Figure 2 is a block diagram of a submersible vehicle that uses a Stirling engine for heat recovery and temperature control for an SOFC, in an example mode.

[0013] A figura 3 é um diagrama de blocos de um veículo submersível que utiliza um motor de Stirling em uma malha de soprador de ânodo para recuperação de calor e controle de temperatura para uma SOFC, numa modalidade de exemplo.[0013] Figure 3 is a block diagram of a submersible vehicle that uses a Stirling engine in an anode blower loop for heat recovery and temperature control for an SOFC, in an example mode.

[0014] A figura 4 é um diagrama de blocos de um veículo submersível que utiliza um motor de Stirling em uma malha de soprador de cátodo para recuperação de calor e controle de temperatura para uma SOFC, numa modalidade de exemplo.[0014] Figure 4 is a block diagram of a submersible vehicle that uses a Stirling engine in a cathode blower loop for heat recovery and temperature control for an SOFC, in an example mode.

[0015] A figura 5 é um fluxograma de um método de controle de uma temperatura de uma SOFC utilizando um motor de Stirling, numa modalidade de exemplo.[0015] Figure 5 is a flowchart of a method of controlling a temperature of a SOFC using a Stirling engine, in an example mode.

[0016] Descrição[0016] Description

[0017] As figuras e a seguinte descrição ilustram modalidades específicas de exemplo. Será assim apreciado que aqueles especializados na arte serão capazes de conceber vários arranjos que, embora não explicitamente descritos ou mostrados aqui, incorporam os princípios das modalidades e são incluídos no escopo das modalidades. Além disso, quaisquer exemplos descritos aqui são destinados a ajudar na compreensão dos princípios das modalidades, e devem ser interpretados como sendo sem limitação a tais exemplos e condições especificamente mencionados. Como um resultado, o(s) conceito(s) inventivo(s) não (é)são limitado(s) às modalidades ou aos exemplos específicos descritos abaixo, mas sim pelas reivindicações e seus equivalentes.[0017] The figures and the following description illustrate specific example embodiments. It will thus be appreciated that those skilled in the art will be able to devise various arrangements which, while not explicitly described or shown here, embody the principles of the modalities and are included within the scope of the modalities. Furthermore, any examples described herein are intended to assist in understanding the principles of the modalities, and should be interpreted as being without limitation to such specifically mentioned examples and conditions. As a result, the inventive concept(s) are not (are) limited to the specific embodiments or examples described below, but rather by the claims and their equivalents.

[0018] A figura 1 ilustra um veículo submersível 100 que utiliza um motor de Stirling para recuperação de calor e controle de temperatura de uma SOFC, numa modalidade de exemplo. Nesta modalidade, o veículo 100 é representado como um Veículo Submarino Não Tripulado (UUV), embora, em outras modalidades, o veículo 100 possa ser qualquer tipo de veículo que é capaz de submergir abaixo da água e utilizar uma célula de combustível SOFC para gerar eletricidade.[0018] Figure 1 illustrates a submersible vehicle 100 that uses a Stirling engine for heat recovery and temperature control of a SOFC, in an example mode. In this embodiment, vehicle 100 is represented as an Unmanned Underwater Vehicle (UUV), although, in other embodiments, vehicle 100 may be any type of vehicle that is capable of submerging under water and utilizing an SOFC fuel cell to generate electricity.

[0019] Nesta modalidade, o veículo 100 é um veículo submarino que utiliza uma fonte de energia interna, que permite ao veículo 100 operar por longos períodos de tempo sem emergir para a superfície. Tipicamente, os veículos submarinos utilizam fontes de energia nucleares ou baterias para prover energia elétrica ao veículo. Todavia, nesta modalidade, o veículo 100 utiliza uma célula de combustível interna (por exemplo, uma SOFC), que é suprida com um combustível localmente armazenado (por exemplo, um combustível de hidrocarboneto) e um oxidante localmente armazenado (por exemplo, oxigênio) para permitir missões de longa duração sob a água, sem emergir para a superfície.[0019] In this embodiment, vehicle 100 is an underwater vehicle that uses an internal power source, which allows vehicle 100 to operate for long periods of time without emerging to the surface. Typically, underwater vehicles use nuclear power sources or batteries to provide electrical power to the vehicle. However, in this embodiment, the vehicle 100 utilizes an internal fuel cell (e.g., an SOFC), which is supplied with a locally stored fuel (e.g., a hydrocarbon fuel) and a locally stored oxidant (e.g., oxygen). to allow long-duration underwater missions without surfacing.

[0020] As SOFCs geram uma quantidade significante de calor perdido devido à oxidação exotérmica do combustível dentro da SOFC, que é tipicamente removido por transferência do calor perdido para a água na qual o veículo está operando. Em adição, as SOFCs requerem o resfriamento, para impedir que as SOFCs excedam sua temperatura máxima de operação. Este resfriamento é tipicamente realizado por operação do soprador de cátodo para a SOFC em uma taxa mais alta que a necessária para a taxa de oxidação de combustível na SOFC. Isto aumenta as perdas elétricas parasíticas no sistema e diminui a eficiência. Nas modalidades descritas aqui, o veículo 100 utiliza uma SOFC em combinação com um motor de Stirling para recuperar algum do calor perdido gerado pela SOFC e também para controlar a temperatura da SOFC. Isto permite que o soprador de cátodo opere em velocidades mais baixas, que reduz as perdas parasíticas do sistema e aumenta a eficiência. Também, o calor perdido regenerado pode ser usado pelo motor de Stirling em algumas modalidades para girar uma cabeça de gerador, que pode aumentar a eletricidade gerada pela SOFC. Isto permite que o veículo 100 opere por períodos mais longos sem reabastecimento de combustível.[0020] SOFCs generate a significant amount of lost heat due to exothermic oxidation of the fuel within the SOFC, which is typically removed by transferring the lost heat to the water in which the vehicle is operating. In addition, SOFCs require cooling to prevent SOFCs from exceeding their maximum operating temperature. This cooling is typically accomplished by operating the cathode blower for the SOFC at a higher rate than is necessary for the rate of fuel oxidation in the SOFC. This increases parasitic electrical losses in the system and decreases efficiency. In the embodiments described herein, the vehicle 100 uses an SOFC in combination with a Stirling engine to recover some of the waste heat generated by the SOFC and also to control the temperature of the SOFC. This allows the cathode blower to operate at lower speeds, which reduces parasitic losses in the system and increases efficiency. Also, the regenerated waste heat can be used by the Stirling engine in some embodiments to turn a generator head, which can increase the electricity generated by SOFC. This allows vehicle 100 to operate for longer periods without refueling.

[0021] A figura 2 é um diagrama de blocos 200 do veículo 100, que utiliza um motor de Stirling 222 para recuperação de calor e controle de temperatura para uma SOFC 202, numa modalidade de exemplo. O diagrama de bloco 200 é uma representação simplificada da SOFC 202 e de um número de componentes, que são usados para suportar a operação da SOFC 202, e uma pessoa especializada na arte entenderá que componentes adicionais (por exemplo, válvulas, malhas de agente de resfriamento, sopradores, etc.), não mostrados, podem ser utilizados como uma questão de escolha do projeto.[0021] Figure 2 is a block diagram 200 of the vehicle 100, which uses a Stirling engine 222 for heat recovery and temperature control for a SOFC 202, in an example embodiment. Block diagram 200 is a simplified representation of SOFC 202 and a number of components, which are used to support the operation of SOFC 202, and a person skilled in the art will understand that additional components (e.g., valves, cooling, blowers, etc.), not shown, may be used as a matter of design choice.

[0022] Nesta modalidade, um combustível 246 se combina com oxigênio 236 dentro da SOFC 202 e é oxidado para gerar eletricidade para o veículo 100. O combustível 246 pode incluir qualquer tipo de combustível à base de hidrogênio, como uma questão de escolha do projeto (por exemplo, H2), embora combustíveis de hidrocarboneto pesado possa ser usado devido à sua densidade de energia mais alta. Alguns exemplos de combustíveis de hidrocarboneto pesado são álcoois, gasolina, diesel, e combustível para jato. Quando combustíveis de hidrocarboneto pesado são usados, um reformador de combustível 240 é usado para gerar H2 livre para o uso pela SOFC 202, que é provido para o lado de ânodo da SOFC 202 (por exemplo, por intermédio de uma entrada de ânodo 208) por um soprador de ânodo 248. H2 não oxidado e água saem da SOFC 202 (por exemplo, por intermédio de uma saída de ânodo 210) e são retornados para o reformador 240. Um sistema de purga de ânodo 264 remove H2O e CO2, gerados.[0022] In this embodiment, a fuel 246 combines with oxygen 236 within the SOFC 202 and is oxidized to generate electricity for the vehicle 100. The fuel 246 may include any type of hydrogen-based fuel, as a matter of design choice (e.g. H2), although heavy hydrocarbon fuels can be used due to their higher energy density. Some examples of heavy hydrocarbon fuels are alcohols, gasoline, diesel, and jet fuel. When heavy hydrocarbon fuels are used, a fuel reformer 240 is used to generate free H2 for use by SOFC 202, which is provided to the anode side of SOFC 202 (e.g. via an anode inlet 208) by an anode blower 248. Unoxidized H2 and water leave the SOFC 202 (eg, via an anode outlet 210) and are returned to the reformer 240. An anode purge system 264 removes H2O and CO2, generated .

[0023] O oxigênio 236 pode ser O2 altamente comprimido ou O2 liquefeito, como uma questão de escolha do projeto. O O2 liquefeito provê uma densidade mais alta, que resulta em um tempo de missão mais longo para o veículo 100. Oxigênio 236 é provido para o lado de cátodo da SOFC 202 (por exemplo, por intermédio da entrada de cátodo 204) por um soprador de cátodo 230. Uma saída 234 do soprador de cátodo 230 pode ser alimentada a um trocador de calor 238 para preaquecer o oxigênio que é alimentado à SOFC 202, que pode ser inferior a cerca de 100 graus Celsius antes de ser encaminhado para o trocador de calor 238. O trocador de calor 238 tem o lado quente associado a uma saída de cátodo 206 da SOFC 202, que está a uma alta temperatura. O escape do lado quente do trocador de calor 238 é encaminhado de volta para uma entrada 232 do soprador de cátodo 230. O calor gerado durante o processo de oxidação é mantido dentro de uma caixa quente 201, a qual inclui a SOFC 202 juntamente com outros componentes de alta temperatura, usados para operar a SOFC 202. As temperaturas dentro da caixa quente 201 podem ser entre cerca de 800 graus Celsius e 1000 graus Celsius.[0023] Oxygen 236 can be either highly compressed O2 or liquefied O2, as a matter of design choice. Liquefied O2 provides a higher density, which results in a longer mission time for vehicle 100. Oxygen 236 is supplied to the cathode side of SOFC 202 (eg, via cathode inlet 204) by a blower. 230. An outlet 234 of the cathode blower 230 may be fed to a heat exchanger 238 to preheat oxygen which is fed to the SOFC 202, which may be less than about 100 degrees Celsius before being routed to the heat exchanger. heat 238. The heat exchanger 238 has the hot side associated with a cathode outlet 206 of the SOFC 202, which is at a high temperature. Exhaust from the hot side of heat exchanger 238 is routed back to an inlet 232 of cathode blower 230. The heat generated during the oxidation process is held within a hot box 201 which includes the SOFC 202 along with other high temperature components used to operate the SOFC 202. Temperatures inside the hot box 201 can be between about 800 degrees Celsius and 1000 degrees Celsius.

[0024] A figura 2 também ilustra um número de sensores de temperatura 254-260, que são usados para monitorar várias temperaturas dentro do interior da caixa quente 201. Os sensores 254-255 medem as temperaturas do cátodo entrada 204 e da saída de cátodo 206 da SOFC, respectivamente. Os sensores 256-257 medem as temperaturas da entrada de ânodo 208 e da saída de ânodo 210 da SOFC 202, respectivamente. Os sensores 258-259 medem as temperaturas de uma entrada 242 e uma saída 244 do reformador 240, respectivamente. O sensor 260 mede a temperatura dentro do interior da caixa quente 201.[0024] Figure 2 also illustrates a number of temperature sensors 254-260, which are used to monitor various temperatures within the interior of the hot box 201. Sensors 254-255 measure the temperatures of the cathode inlet 204 and the cathode outlet. 206 of the SOFC, respectively. Sensors 256-257 measure the anode inlet 208 and anode outlet 210 temperatures of the SOFC 202, respectively. Sensors 258-259 measure the temperatures of an inlet 242 and an outlet 244 of the reformer 240, respectively. Sensor 260 measures the temperature inside the hot box 201.

[0025] Nesta modalidade, o motor de Stirling 222 é usado para recuperar calor perdido, gerado dentro da caixa quente 201, e para prover controle de temperatura para SOFC 202 e/ou outros componentes dentro da caixa quente 201. O motor de Stirling 222 inclui ao lado quente 224 e ao lado frio 226. O lado quente 224 é termicamente acoplado ao interior da caixa quente 201, e absorve calor radiante a partir de dentro da caixa quente 201. O lado frio 226 é termicamente acoplado a uma malha de resfriamento 212. Uma diferença de temperatura entre o lado quente 224 e o lado frio 226 aquece um gás de trabalho dentro do motor de Stirling 222 para acionar um ou mais êmbolos (não mostrados) que giram um eixo. Durante a operação do motor de Stirling 222, calor flui do lado quente 224 para o lado frio 226. Isto permite que calor seja removido a partir da caixa quente 201 a uma taxa variável, dependendo do diferencial de temperatura entre o lado quente 224 e o lado frio 226. Em algumas modalidades, o motor de Stirling 222 é acoplado a uma cabeça de gerador 262, que provê energia elétrica para o veículo 100 em adição à eletricidade gerada pela SOFC 202.[0025] In this embodiment, the Stirling engine 222 is used to recover lost heat generated within the hot box 201, and to provide temperature control for SOFC 202 and/or other components within the hot box 201. The Stirling engine 222 includes the hot side 224 and the cold side 226. The hot side 224 is thermally coupled to the interior of the hot box 201, and absorbs radiant heat from within the hot box 201. The cold side 226 is thermally coupled to a cooling loop 212. A temperature difference between the hot side 224 and the cold side 226 heats a working gas within the Stirling engine 222 to drive one or more pistons (not shown) that rotate a shaft. During the operation of the Stirling engine 222, heat flows from the hot side 224 to the cold side 226. This allows heat to be removed from the hot box 201 at a variable rate depending on the temperature differential between the hot side 224 and the hot side 224. cold side 226. In some embodiments, the Stirling engine 222 is coupled to a generator head 262, which provides electrical power to the vehicle 100 in addition to the electricity generated by the SOFC 202.

[0026] A malha de resfriamento 212 é usado para remover calor a partir do lado frio 226 do motor de Stirling 222 e para prover um diferencial de temperatura entre o lado quente 224 e o lado frio 226. A malha de resfriamento 212 em esta modalidade inclui uma bomba de agente de resfriamento 216, que tem uma saída 220 que é acoplada ao lado frio 226 do motor de Stirling 222 e uma entrada 218 que é acoplada a um trocador de calor 214. A bomba de agente de resfriamento 216 circula a agente de resfriamento (por exemplo, água, glicol, etc.), que circula em torno da malha de resfriamento 212. O calor a partir do lado frio 226 do motor de Stirling 222 é transferido para o agente de resfriamento na malha de resfriamento 212, que é então transferido para a água de resfriamento no trocador de calor 214. A água de resfriamento usada pelo trocador de calor 214 pode ser a água, dentro da qual o veículo 100 está operando.[0026] The cooling loop 212 is used to remove heat from the cold side 226 of the Stirling engine 222 and to provide a temperature differential between the hot side 224 and the cold side 226. The cooling loop 212 in this embodiment includes a coolant pump 216 which has an outlet 220 which is coupled to the cold side 226 of the Stirling engine 222 and an inlet 218 which is coupled to a heat exchanger 214. The coolant pump 216 circulates the coolant. (e.g. water, glycol, etc.), which circulates around the cooling loop 212. Heat from the cold side 226 of the Stirling engine 222 is transferred to the cooling agent in the cooling loop 212, which is then transferred to cooling water in heat exchanger 214. The cooling water used by heat exchanger 214 may be water, within which vehicle 100 is operating.

[0027] Nesta modalidade, um controlador de gestão térmica 228 inclui qualquer componente, sistema, ou dispositivo, que é capaz de monitorar as temperaturas dentro do interior da caixa quente 201 através de os sensores 254-260, e para controlar as temperaturas por variação da taxa de remoção de calor a partir do lado frio 226 do motor de Stirling 222. Ao realizar isto, o controlador 228 varia um sinal de controle de bomba, aplicado à bomba de agente de resfriamento. 216, que varia a vazão de agente de resfriamento dentro da malha de resfriamento 212. Quando a vazão do agente de resfriamento é aumentada, um maior gradiente térmico é criado através do lado quente 224 e do lado frio 226 do motor de Stirling 222. Isto aumenta a velocidade do motor de Stirling 222 e aumenta a quantidade de energia térmica que é convertida para trabalho útil (por exemplo, gerando eletricidade). Quando a vazão do agente de resfriamento é diminuída, um menor gradiente térmico é criado através do lado quente 224 e o lado frio 226 do motor de Stirling 222. Isto diminui a velocidade do motor de Stirling 222 e diminui a quantidade de energia térmica que é convertida para trabalho útil (por exemplo, gerando eletricidade). O uso do motor de Stirling 222, da temperatura da SOFC 202 e/ou de outros componentes dentro da caixa quente 201, pode ser controlado. Quando as temperaturas da SOFC 202 são controladas utilizando o motor de Stirling 222, o resfriamento que seria normalmente ser provido pelo soprador de cátodo 230 pode ser reduzido, o que reduz a energia usada pelo soprador de cátodo 230. Isto abaixa a energia parasítica que seria normalmente ser consumida pelo soprador de cátodo 230.[0027] In this embodiment, a thermal management controller 228 includes any component, system, or device, which is capable of monitoring temperatures inside the hot box 201 through sensors 254-260, and to control temperatures by variation. the rate of heat removal from the cold side 226 of the Stirling engine 222. In doing so, the controller 228 varies a pump control signal applied to the coolant pump. 216, which varies the flow rate of cooling agent within the cooling loop 212. When the flow rate of the cooling agent is increased, a greater thermal gradient is created across the hot side 224 and cold side 226 of the Stirling engine 222. This increases the speed of the Stirling 222 engine and increases the amount of heat energy that is converted to useful work (eg generating electricity). When the flow rate of the cooling agent is decreased, a smaller thermal gradient is created across the hot side 224 and the cold side 226 of the Stirling engine 222. This slows down the Stirling engine 222 and decreases the amount of heat energy that is converted to useful work (eg generating electricity). The use of the Stirling engine 222, the temperature of the SOFC 202 and/or other components within the hot box 201 can be controlled. When SOFC 202 temperatures are controlled using the Stirling engine 222, the cooling that would normally be provided by the cathode blower 230 can be reduced, which reduces the energy used by the cathode blower 230. This lowers the parasitic energy that would otherwise be normally be consumed by the cathode blower 230.

[0028] Considere os seguintes exemplos. No primeiro exemplo, considere que a temperatura de saída de cátodo 206 da SOFC 202 está aumentando lentamente. Durante a operação, a SOFC 202 oxida o combustível 246 e gera calor. A SOFC 202 radia calor para o interior da caixa quente 201 a uma taxa que geralmente depende de um diferencial de temperatura entre a SOFC 202 e o interior da caixa quente 201. Assim, em alguns casos, um diferencial de temperatura pode ser mais baixo, que reduz a taxa de transferência de calor a partir da SOFC 202 para o interior da caixa quente 201. Isto causa com que a SOFC se aqueça ao longo do tempo. Isto pode ser detectado pelo controlador 228 usando o sensor de temperatura 255 na saída de cátodo 206, que é um bom indicador para a temperatura de SOFC 202. Todavia, a SOFC 202 opera mais eficientemente dentro de uma variação de temperatura particular. Por exemplo, pode ser desejável manter a temperatura de SOFC 202 dentro de cerca de +/- 100 graus Celsius de cerca de 750 graus Celsius. Se a temperatura cair demasiadamente baixo (por exemplo, cerca de 600 graus Celsius), então um eletrólito cerâmico na SOFC 202 pode não transportar íons de oxigênio eficientemente a partir do cátodo para o ânodo. Todavia, se a temperatura se eleva demasiadamente alta (por exemplo, cerca de 1000 graus Celsius), então a SOFC 202 pode ser danificada devido à tensão térmica.[0028] Consider the following examples. In the first example, consider that the output temperature of cathode 206 of SOFC 202 is slowly increasing. During operation, SOFC 202 oxidizes fuel 246 and generates heat. The SOFC 202 radiates heat into the hot box 201 at a rate that generally depends on a temperature differential between the SOFC 202 and the interior of the hot box 201. Thus, in some cases, a temperature differential may be lower, which reduces the rate of heat transfer from the SOFC 202 into the hot box 201. This causes the SOFC to heat up over time. This can be detected by controller 228 using temperature sensor 255 at cathode output 206, which is a good indicator of the temperature of SOFC 202. However, SOFC 202 operates most efficiently within a particular temperature range. For example, it may be desirable to maintain the temperature of SOFC 202 within about +/- 100 degrees Celsius from about 750 degrees Celsius. If the temperature drops too low (eg, around 600 degrees Celsius), then a ceramic electrolyte in SOFC 202 may not efficiently transport oxygen ions from the cathode to the anode. However, if the temperature rises too high (eg around 1000 degrees Celsius), then the SOFC 202 can be damaged due to thermal stress.

[0029] A resposta típica para a SOFC 202 se aquecendo sobre o tempo na direção para a extremidade alta da temperatura de operação é para aumentar a vazão de cátodo para a SOFC 202. O controlador 228 pode aumentar a vazão de cátodo para a SOFC 202 por modificar um sinal de soprador de cátodo, que é aplicado à soprador de cátodo 230. A vazão de cátodo aumentado para a SOFC 202 remove calor a partir da SOFC 202 a uma taxa mais rápida, uma vez que o oxigênio na saída 234 do soprador de cátodo 230 é inferior a cerca de 100 graus Celsius. Isto irá diminuir a temperatura de SOFC 202 devido ao resfriamento. Todavia, o soprador de cátodo 230 irá consumir mais energia elétrica a fim de aumentar a vazão de cátodo, que é ineficiente.[0029] The typical response for SOFC 202 heating up over time in the direction towards the high end of the operating temperature is to increase the cathode flow rate for the SOFC 202. The controller 228 can increase the cathode flow rate for the SOFC 202 by modifying a cathode blower signal, which is applied to the cathode blower 230. The increased cathode flow rate to the SOFC 202 removes heat from the SOFC 202 at a faster rate as the oxygen at the blower outlet 234 of cathode 230 is less than about 100 degrees Celsius. This will lower the temperature of SOFC 202 due to cooling. However, the cathode blower 230 will consume more electrical energy in order to increase the cathode flow, which is inefficient.

[0030] Em lugar do, e/ou em adição ao aumento da vazão de cátodo, o controlador 228 modifica um sinal de controle de bomba, que é aplicado à bomba de agente de resfriamento 216 para aumentar a vazão do agente de resfriamento dentro da malha de resfriamento 212. A vazão de agente de resfriamento, aumentada, permite que o motor de Stirling 222 consuma calor a partir de dentro da caixa quente 201 a uma taxa mais rápida, o que reduz as exigências de resfriamento dos vários elementos dentro da caixa quente 201 (por exemplo, a SOFC 202). O calor consumido pelo motor de Stirling 222 abranda a quantidade de resfriamento que, entretanto, seria provida pelo soprador de cátodo 230. Em adição, o trabalho realizado pelo motor de Stirling 222 pode ser usado para gerar eletricidade, que é um uso mais eficiente do calor perdido, gerado pela SOFC 202, e os componentes dentro da caixa quente 201, que simplesmente descarregar o calor perdido para a água ao redor do veículo 100.[0030] In place of, and/or in addition to, increasing the cathode flow rate, the controller 228 modifies a pump control signal, which is applied to the coolant pump 216 to increase the coolant flow rate within the cooling loop 212. The increased flow of cooling agent allows the Stirling engine 222 to consume heat from within the hot box 201 at a faster rate, which reduces the cooling requirements of the various elements within the box hot 201 (eg SOFC 202). The heat consumed by the Stirling engine 222 mitigates the amount of cooling that would, however, be provided by the cathode blower 230. In addition, the work done by the Stirling engine 222 can be used to generate electricity, which is a more efficient use of energy. lost heat, generated by SOFC 202, and the components inside the hot box 201, which simply discharge the lost heat to the water surrounding the vehicle 100.

[0031] No próximo exemplo, considere que a temperatura de saída de cátodo 206 da SOFC 202 está caindo lentamente. Durante a operação, SOFC 202 oxida o combustível 246 e gera calor. SOFC 202 radia calor para o interior da caixa quente 201 a uma taxa que geralmente depende de um diferencial de temperatura entre SOFC 202 e o interior da caixa quente 201. Assim, em alguns casos, um diferencial de temperatura pode ser mais alto, que aumenta a taxa de transferência de calor da SOFC 202 para o interior da caixa quente 201. Isto causa com que a SOFC 202 se resfrie sobre o tempo. Isto pode ser detectado pelo controlador 228 usando o sensor de temperatura 255 na saída de cátodo 206, que é um bom indicador para a temperatura da SOFC 202.[0031] In the next example, consider that the output temperature of cathode 206 of SOFC 202 is slowly dropping. During operation, SOFC 202 oxidizes fuel 246 and generates heat. SOFC 202 radiates heat into the hot box 201 at a rate that generally depends on a temperature differential between SOFC 202 and the inside of the hot box 201. Thus, in some cases, a temperature differential may be higher, which increases the rate of heat transfer from SOFC 202 into the hot box 201. This causes SOFC 202 to cool down over time. This can be detected by the controller 228 using the temperature sensor 255 at the cathode output 206, which is a good indicator for the temperature of the SOFC 202.

[0032] A resposta típica para a SOFC 202 se resfriando sobre o tempo na direção para a extremidade inferior da temperatura de operação é para diminuir a vazão de cátodo para a SOFC 202 na direção para alguma vazão mínima que depende da taxa de oxidação do combustível 246 na SOFC 202. O controlador 228 pode diminuir a vazão de cátodo para a SOFC 202 por modificar um sinal de soprador de cátodo que é aplicado à soprador de cátodo 230. Uma vazão de cátodo diminuída para a SOFC 202 remove calor a partir da SOFC 202 a uma taxa mais lenta, embora a SOFC 202 possa ainda se aquecer mesmo quando a vazão de cátodo para a SOFC 202 está em uma vazão mínima.[0032] The typical response for SOFC 202 cooling over time in the direction to the lower end of the operating temperature is to decrease the cathode flow rate for the SOFC 202 in the direction to some minimum flow rate that depends on the oxidation rate of the fuel 246 in SOFC 202. Controller 228 can decrease cathode flow to SOFC 202 by modifying a cathode blower signal that is applied to cathode blower 230. A decreased cathode flow to SOFC 202 removes heat from the SOFC 202 at a slower rate, although the SOFC 202 may still heat up even when the cathode flow rate to the SOFC 202 is at a minimum flow rate.

[0033] Neste caso, o controlador 228 modifica o sinal de controle de bomba para a bomba de agente de resfriamento 216 para diminuir a vazão de agente de resfriamento dentro da malha de resfriamento 212. Uma vazão de agente de resfriamento diminuída permite ao motor de Stirling 222 consumir calor a partir de dentro da caixa quente 201 a uma taxa mais lenta, o que permite que a SOFC 202 se aqueça. Em adição, o trabalho realizado pelo motor de Stirling 222 durante este processo pode ser usado para gerar eletricidade, o que melhora a eficiência.[0033] In this case, the controller 228 modifies the pump control signal for the coolant pump 216 to decrease the flow of cooling agent within the cooling loop 212. A decreased flow of coolant allows the engine to Stirling 222 consumes heat from within the hot box 201 at a slower rate, which allows the SOFC 202 to heat up. In addition, the work done by the Stirling 222 engine during this process can be used to generate electricity, which improves efficiency.

[0034] Embora o processo de controle de temperatura realizado pelo controlador 228 tenha sido especificamente descrito com relação à temperatura da saída de cátodo 206 da SOFC 202, outros pontos de controle existem dentro do interior da caixa quente 201. Por exemplo, em adição à, e/ou em lugar da, temperatura de saída de cátodo 206, o controlador 228 pode modificar o sinal de controle de bomba, aplicado à bomba de agente de resfriamento 216 para controlar a(s) temperatura(s) na entrada 242 do reformador 240 (por intermédio do sensor 258), a saída 244 do reformador 240 por intermédio do sensor 259), o interior da caixa quente 201 por intermédio do sensor 260), cátodo entrada 204 por intermédio do sensor 254), a entrada de ânodo 208 por intermédio do sensor 256), e/ou a saída de ânodo 210 (por intermédio do sensor 257). Por exemplo, se o soprador de cátodo 230 está em uma vazão mínima, então temperaturas decrescentes dentro da caixa quente 201 indica que o motor de Stirling 222 está consumindo demasiado calor a partir de dentro da caixa quente 201. Neste caso, o sinal de controle de bomba para a bomba de resfriamento 216 é modificado para diminuir a vazão de agente de resfriamento dentro da malha de resfriamento 212.[0034] Although the temperature control process performed by the controller 228 has been specifically described with respect to the temperature of the cathode output 206 of the SOFC 202, other control points exist within the interior of the hot box 201. For example, in addition to the , and/or in place of the outlet temperature of cathode 206, controller 228 may modify the pump control signal applied to coolant pump 216 to control the temperature(s) at inlet 242 of the reformer 240 (via sensor 258), output 244 of reformer 240 via sensor 259), inside hot box 201 via sensor 260), cathode input 204 via sensor 254), anode input 208 via sensor 256), and/or anode output 210 (via sensor 257). For example, if cathode blower 230 is at minimum flow, then decreasing temperatures inside hot box 201 indicate that Stirling engine 222 is consuming too much heat from inside hot box 201. In this case, the control signal for the coolant pump 216 is modified to decrease the flow of coolant within the coolant loop 212.

[0035] A figura 3 é um diagrama de blocos 300 do veículo 100, que utiliza o motor de Stirling 222 em uma malha de soprador de ânodo para recuperação de calor e controle de temperatura para SOFC 202, numa modalidade de exemplo. Nesta modalidade, a saída 244 do reformador 240 é encaminhada para a extremidade quente 224 do motor de Stirling 222, e de volta para a entrada 250 do soprador de ânodo 248. Isto acopla termicamente a saída de alta temperatura 244 do reformador 240 à extremidade quente 224 do motor de Stirling. Durante a operação, o motor de Stirling 222 extrai calor a partir do combustível reformado abandonando o reformador 240, resfriando o combustível reformado antes de ele entrar no soprador de ânodo 248. Tipicamente, o combustível reformado é resfriado utilizando uma malha de resfriamento separado. Assim, o motor de Stirling 222 é capaz de recapturar calor perdido a partir do combustível reformado, que normalmente seria perdido. A figura 3 ilustra ainda que a extremidade quente 224 do motor de Stirling 222 é acoplada a um sistema de purga de ânodo 264. Isto permite que o motor de Stirling 222 extraia calor perdido a partir do sistema de purga de ânodo 264, o qual seria normalmente perdido. A extração de calor a partir do combustível reformado e do sistema de purga de ânodo 264 pode ser realizado em adição à captura de calor radiante a partir do interior da caixa quente 201.[0035] Figure 3 is a block diagram 300 of the vehicle 100, which uses the Stirling engine 222 in an anode blower loop for heat recovery and temperature control for SOFC 202, in an example embodiment. In this embodiment, the output 244 of the reformer 240 is routed to the hot end 224 of the Stirling engine 222, and back to the inlet 250 of the anode blower 248. This thermally couples the high temperature output 244 of the reformer 240 to the hot end. 224 of the Stirling engine. During operation, the Stirling engine 222 extracts heat from the reformed fuel leaving the reformer 240, cooling the reformed fuel before it enters the anode blower 248. Typically, the reformed fuel is cooled using a separate cooling loop. Thus, the Stirling 222 engine is able to recapture lost heat from the reformed fuel, which would normally be lost. Figure 3 further illustrates that the hot end 224 of the Stirling engine 222 is coupled to an anode purge system 264. This allows the Stirling engine 222 to extract lost heat from the anode purge system 264, which would be normally lost. Extraction of heat from the reformed fuel and anode purge system 264 may be performed in addition to capturing radiant heat from within the hot box 201.

[0036] A figura 4 é um diagrama de blocos 400 do veículo 100, que utiliza o motor de Stirling 222 em uma malha de soprador de cátodo para recuperação de calor e controle de temperatura para SOFC 202, numa modalidade de exemplo. Nesta modalidade, a saída 234 de soprador de cátodo 230 é encaminhada para a extremidade fria 226 do motor de Stirling 222, e de volta para o trocador de calor 238. Isto permite que o calor seja transferido a partir da extremidade quente 224 do motor de Stirling 222 para o oxigênio que é provido para o cátodo da SOFC 202. Isto pré-aquece a mistura antes de a mistura ser encaminhada para o trocador de calor 238, que é tipicamente aquecida de menos que cerca de 100 graus Celsius para cerca de 650 graus Celsius. Isto permite que A malha de resfriamento para o motor de Stirling 222 seja usado como parte do processo de pré-aquecimento para o oxigênio provido para o cátodo da SOFC 202. Embora esta modalidade ilustre a extremidade quente 224 do motor de Stirling 222 como acoplada termicamente ao interior da caixa quente 201 para uma fonte de calor, qualquer das fontes de calor, previamente descritas, para a extremidade quente 224, pode ser adicionalmente e/ou alternativamente usada como uma questão de escolha do projeto.[0036] Figure 4 is a block diagram 400 of the vehicle 100, which uses the Stirling engine 222 in a cathode blower loop for heat recovery and temperature control for SOFC 202, in an example embodiment. In this embodiment, output 234 from cathode blower 230 is routed to the cold end 226 of the Stirling engine 222, and back to the heat exchanger 238. This allows heat to be transferred from the hot end 224 of the engine. Stirling 222 for oxygen which is provided to the cathode of SOFC 202. This preheats the mixture before the mixture is routed to heat exchanger 238, which is typically heated from less than about 100 degrees Celsius to about 650 degrees Celsius. degrees Celsius. This allows the cooling loop for the Stirling engine 222 to be used as part of the preheat process for the oxygen provided to the cathode of the SOFC 202. Although this embodiment illustrates the hot end 224 of the Stirling engine 222 as thermally coupled to the interior of the hot box 201 for a heat source, any of the previously described heat sources for the hot end 224 may additionally and/or alternatively be used as a matter of design choice.

[0037] Utilizando o motor de Stirling 222, calor perdido, que seria normalmente perdido para a água na qual o veículo submarino 100 está operando, pode ser utilizado para realizar trabalho adicional. Ainda, o motor de Stirling 222 opera como um dissipador de calor variável, que permite ao controlador 228 controlar as temperaturas dentro do interior da caixa quente 201 por modificação da vazão da malha de resfriamento 212. Em alguns casos, isto pode permitir que o soprador de cátodo 230 opere a velocidades mais baixas, o que reduz as perdas elétricas parasíticas para o veículo 100.[0037] Using the Stirling engine 222, waste heat, which would normally be lost to the water in which the underwater vehicle 100 is operating, can be used to do additional work. In addition, the Stirling engine 222 operates as a variable heat sink, which allows the controller 228 to control temperatures within the hot box 201 by modifying the flow rate of the cooling loop 212. In some cases, this may allow the blower to cathode 230 operates at lower speeds, which reduces parasitic electrical losses to vehicle 100.

[0038] A figura 5 é um fluxograma de um método 500 de controle de uma temperatura de uma SOFC utilizando um motor de Stirling, numa modalidade de exemplo. As etapas de método 500 serão descritas com relação ao controlador 228 das figuras 2 a 4, embora uma pessoa especializada na arte irá compreender que o método 500 pode ser realizado por outros dispositivos ou sistemas, não mostrados. As etapas de método 500 são não todas inclusivas e podem incluir outras etapas não mostradas. Na etapa 502, o controlador 228 monitora uma temperatura de saída de cátodo 206 da SOFC 202 (por exemplo, através do sensor 255). A SOFC 202 é circundada pela caixa quente 201 e é acoplada termicamente à extremidade quente 224 do motor de Stirling 222. Na etapa 504, o controlador 228 modifica uma taxa de remoção de calor a partir da extremidade fria 226 do motor de Stirling (por exemplo, por variação do resfriamento aplicado à extremidade fria 226 pela malha de resfriamento 212, por variar uma vazão do soprador de cátodo 230, etc.) para manter a temperatura de saída de cátodo 26 da SOFC 202 dentro de uma variação de temperatura.[0038] Figure 5 is a flowchart of a method 500 of controlling a temperature of an SOFC using a Stirling engine, in an example embodiment. Method steps 500 will be described with respect to controller 228 of Figures 2 to 4, although one skilled in the art will understand that method 500 may be performed by other devices or systems, not shown. Method 500 steps are not all inclusive and may include other steps not shown. In step 502, controller 228 monitors an output temperature of cathode 206 of SOFC 202 (e.g., via sensor 255). SOFC 202 is surrounded by hot box 201 and is thermally coupled to hot end 224 of Stirling engine 222. In step 504, controller 228 modifies a rate of heat removal from cold end 226 of Stirling engine (e.g. , by varying the cooling applied to the cold end 226 by the cooling loop 212, by varying a flow rate of the cathode blower 230, etc.) to maintain the cathode 26 outlet temperature of the SOFC 202 within a temperature range.

[0039] Quaisquer dos vários elementos mostrados nas figuras ou descritos aqui podem ser implementados como hardware, software, firmware, ou alguma combinação desses. Por exemplo, um elemento pode ser implementado como hardware dedicado. Os elementos de hardware dedicados podem ser referidos como “processadores”, “controladores”, ou alguma terminologia similar. Quando providas por um processador, as funções podem ser providas por um único processador dedicado, por um único processador compartilhado, ou por uma pluralidade de processadores individuais, alguns dos quais podem ser compartilhados. Além disso, o uso explícito do termo “processador” ou “controlador” não deve ser interpretado para ser referir exclusivamente a hardware capaz de executar software, e pode implicitamente incluir, sem limitação, hardware de processador de sinal digital (DSP), um processador de rede, circuito integrado específico de aplicação (ASIC) ou outros circuitos, rede de portas lógicas programáveis (FPGA), memória exclusivamente de leitura (ROM) para armazenar software, memória de acesso aleatório (RAM), armazenamento não volátil, lógica, ou algum outro componente ou módulo de hardware físico.[0039] Any of the various elements shown in the figures or described here may be implemented as hardware, software, firmware, or some combination thereof. For example, an element can be implemented as dedicated hardware. Dedicated hardware elements may be referred to as “processors”, “controllers”, or similar terminology. When provided by one processor, functions may be provided by a single dedicated processor, by a single shared processor, or by a plurality of individual processors, some of which may be shared. In addition, the explicit use of the term “processor” or “controller” shall not be construed to refer exclusively to hardware capable of running software, and may by implication include, without limitation, digital signal processor (DSP) hardware, a network, application-specific integrated circuit (ASIC) or other circuitry, programmable logic gate network (FPGA), read-only memory (ROM) for storing software, random access memory (RAM), nonvolatile storage, logic, or some other physical hardware component or module.

[0040] Também, um elemento pode ser implementado como instruções executáveis por um processador ou um computador para executar as funções do elemento. Alguns exemplos de instruções são software, código de programa, e firmware. As instruções são operacionais quando executadas pelo processador para dirigir o processador para executar as funções do elemento. As instruções podem ser armazenadas em dispositivos de armazenamento que são legíveis pelo processador. Alguns exemplos dos dispositivos de armazenamento são memórias digitais ou de estado sólido, meios de armazenamento magnéticos, tais como discos magnéticos e fitas magnéticas, unidades de disco rígido, ou meios de armazenamento de dados digitais, oticamente legíveis.[0040] Also, an element can be implemented as executable instructions by a processor or a computer to perform the element's functions. Some examples of instructions are software, program code, and firmware. Instructions are operational when executed by the processor to direct the processor to perform the element's functions. Instructions can be stored on storage devices that are readable by the processor. Some examples of storage devices are digital or solid state memories, magnetic storage media such as magnetic disks and magnetic tapes, hard disk drives, or optically readable digital data storage media.

[0041] Embora modalidades específicas tenham sido descritas aqui, o escopo é não limitado àquelas modalidades específicas. Entretanto, o escopo é definido pelas seguintes reivindicações e quaisquer equivalentes das mesmas.[0041] While specific modalities have been described here, the scope is not limited to those specific modalities. However, the scope is defined by the following claims and any equivalents thereof.

Claims (17)

1. Aparelho para recuperação de calor e controle de temperatura, compreendendo: um veículo (100) que inclui uma Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC) (202) e é configurada para submergir na água, caracterizado pelo fato de que o veículo (100) compreende: uma caixa quente (201) circundando a SOFC (202), em que a SOFC (202) inclui uma entrada de cátodo (204), uma saída de cátodo (206), uma entrada de ânodo (208), e uma saída de ânodo (210); uma malha de resfriamento (212) para o veículo (100), que inclui um trocador de calor (214) e uma bomba de agente de resfriamento (216), em que o trocador de calor (214) acopla termicamente a malha de resfriamento (212) à água; um motor de Stirling tendo uma primeira extremidade (224), acoplada termicamente a um interior da caixa quente (201), e uma segunda extremidade (226), acoplada termicamente à malha de resfriamento (212); em que a bomba de agente de resfriamento (216) é configurada para modificar uma taxa de remoção de calor a partir da segunda extremidade (226) do motor de Stirling com base em um sinal de controle de bomba; e, um controlador de gestão térmica (228), que é configurado para monitorar uma temperatura da saída de cátodo (206) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de bomba para manter a temperatura da saída de cátodo (206) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.1. Apparatus for heat recovery and temperature control, comprising: a vehicle (100) that includes a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) (202) and is configured to submerge in water, characterized in that the vehicle ( 100) comprises: a hot box (201) surrounding the SOFC (202), wherein the SOFC (202) includes a cathode inlet (204), a cathode outlet (206), an anode inlet (208), and an anode outlet (210); a cooling loop (212) for the vehicle (100), which includes a heat exchanger (214) and a coolant pump (216), wherein the heat exchanger (214) thermally couples the cooling loop (214) 212) to water; a Stirling engine having a first end (224) thermally coupled to an interior of the hot box (201), and a second end (226) thermally coupled to the cooling loop (212); wherein the coolant pump (216) is configured to modify a rate of heat removal from the second end (226) of the Stirling engine based on a pump control signal; and, a thermal management controller (228), which is configured to monitor a temperature of the cathode output (206) of the SOFC (202), and to modify the pump control signal to maintain the temperature of the cathode output (206). ) of the SOFC (202) within a temperature range. 2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um soprador de cátodo (230) tendo uma saída (234) e uma entrada (232), em que a entrada (232) do soprador de cátodo (230) é acoplada à saída de cátodo (206) da SOFC (202); em que o soprador de cátodo (230) é configurado para modificar uma taxa de resfriamento provida para a SOFC (202) com base em um sinal de controle de soprador de cátodo (230); em que o controlador de gestão térmica (228) é configurado para modificar o sinal de controle de bomba para aumentar a taxa de calor removido a partir da segunda extremidade (226) do motor de Stirling, e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo (230) para reduzir a taxa de resfriamento provida para a SOFC (202), responsiva ao aumento da taxa de calor removido a partir da segunda extremidade (226) do motor de Stirling.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that it further comprises: a cathode blower (230) having an outlet (234) and an inlet (232), wherein the inlet (232) of the cathode blower (230) is coupled to the cathode output (206) of the SOFC (202); wherein the cathode blower (230) is configured to modify a cooling rate provided to the SOFC (202) based on a control signal from the cathode blower (230); wherein the thermal management controller (228) is configured to modify the pump control signal to increase the rate of heat removed from the second end (226) of the Stirling engine, and to modify the pump control signal. cathode (230) to reduce the rate of cooling provided to the SOFC (202), responsive to the increased rate of heat removed from the second end (226) of the Stirling engine. 3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma fonte de oxigênio acoplada à saída (234) do soprador de cátodo (230).3. Apparatus according to claim 2, characterized in that it further comprises: an oxygen source coupled to the output (234) of the cathode blower (230). 4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma de uma temperatura da entrada de ânodo (208) da SOFC (202) e uma temperatura da entrada de cátodo (204) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de bomba para manter pelo menos uma da temperatura da entrada de ânodo (208) da SOFC (202) e da temperatura da entrada de cátodo (204) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.4. Apparatus according to claim 1, characterized in that: the thermal management controller (228) is configured to monitor at least one of an anode input temperature (208) of the SOFC (202) and a temperature of the cathode inlet (204) of the SOFC (202), and to modify the pump control signal to maintain at least one of the anode inlet (208) temperature of the SOFC (202) and the temperature of the cathode inlet (204) ) of the SOFC (202) within a temperature range. 5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma dentre uma temperatura do interior da caixa quente (201) e uma temperatura da saída de ânodo (210) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de bomba para manter pelo menos uma da temperatura do interior da caixa quente (201) e da temperatura da saída de ânodo (210) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.5. Apparatus, according to claim 1, characterized in that: the thermal management controller (228) is configured to monitor at least one of a temperature inside the hot box (201) and an anode outlet temperature (210) of the SOFC (202), and to modify the pump control signal to keep at least one of the hot box interior (201) temperature and the SOFC (202) anode outlet temperature (210) within a temperature variation. 6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma fonte de combustível; e um reformador de combustível (240) tendo uma entrada (242) e uma saída (244), em que a entrada (242) do reformador de combustível (240) é acoplada à fonte de combustível e à saída de ânodo (210) da SOFC (202); um soprador de ânodo (248) tendo uma entrada (250) e uma saída (252), em que a saída (252) do soprador de ânodo (248) é acoplada à entrada de ânodo (208) da SOFC (202), em que a primeira extremidade (224) do motor de Stirling acopla a saída (244) do reformador de combustível (240) à entrada (250) do soprador de ânodo (248).6. Apparatus, according to claim 1, characterized in that it further comprises: a source of fuel; and a fuel reformer (240) having an inlet (242) and an outlet (244), wherein the inlet (242) of the fuel reformer (240) is coupled to the fuel source and anode outlet (210) of the fuel reformer (240). SOFC (202); an anode blower (248) having an inlet (250) and an outlet (252), wherein the outlet (252) of the anode blower (248) is coupled to the anode inlet (208) of the SOFC (202) in that the first end (224) of the Stirling engine couples the outlet (244) of the fuel reformer (240) to the inlet (250) of the anode blower (248). 7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma dentre uma temperatura da entrada (242) do reformador de combustível (240) e uma temperatura da saída (244) do reformador de combustível (240), e para modificar o sinal de controle de bomba para manter pelo menos uma da temperatura da entrada (242) do reformador de combustível (240) e da temperatura da saída (244) do reformador de combustível (240) dentro de uma variação de temperatura.7. Apparatus, according to claim 6, characterized in that: the thermal management controller (228) is configured to monitor at least one of an inlet temperature (242) of the fuel reformer (240) and a temperature of the outlet (244) of the fuel reformer (240), and to modify the pump control signal to maintain at least one of the inlet (242) temperature of the fuel reformer (240) and the outlet (244) temperature of the fuel reformer (240) within a temperature range. 8. Aparelho para recuperação de calor e controle de temperatura, compreendendo: um veículo (100) que inclui uma Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC) (202) e é configurado para submergir em água, caracterizado pelo fato de que o veículo (100) compreende: uma caixa quente (201) que envolve a SOFC (202), em que a SOFC (202) inclui uma entrada de cátodo (204), uma saída de cátodo (206), uma entrada de ânodo (208), e uma saída de ânodo (210); o soprador de cátodo (230) tendo uma saída (234) e uma entrada (232), em que a entrada (232) do soprador de cátodo (230) é acoplada à saída de cátodo (206) da SOFC (202), em que o soprador de cátodo (230) é configurado para modificar uma taxa de resfriamento provida para a SOFC (202) com base em um sinal de controle de soprador de cátodo; um motor de Stirling tendo uma primeira extremidade (224) termicamente acoplada com um interior da caixa quente (201) e uma segunda extremidade (226) acoplando a saída (234) do soprador de cátodo (230) à entrada de cátodo (204) da SOFC (202), em que o soprador de cátodo (230) é configurado para modificar uma taxa de remoção de calor a partir da segunda extremidade (226) do motor de Stirling com base no sinal de controle de soprador de cátodo; e, um controlador de gestão térmica (228), que é configurado para monitorar uma temperatura da saída de cátodo (206) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo para manter a temperatura da saída de cátodo (206) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.8. Apparatus for heat recovery and temperature control, comprising: a vehicle (100) that includes a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) (202) and is configured to submerge in water, characterized in that the vehicle ( 100) comprises: a hot box (201) surrounding the SOFC (202), wherein the SOFC (202) includes a cathode inlet (204), a cathode outlet (206), an anode inlet (208), and an anode outlet (210); the cathode blower (230) having an outlet (234) and an inlet (232), wherein the inlet (232) of the cathode blower (230) is coupled to the cathode outlet (206) of the SOFC (202) in that the cathode blower (230) is configured to modify a cooling rate provided to the SOFC (202) based on a cathode blower control signal; a Stirling engine having a first end (224) thermally coupled to an interior of the hot box (201) and a second end (226) coupling the outlet (234) of the cathode blower (230) to the cathode inlet (204) of the SOFC (202), wherein the cathode blower (230) is configured to modify a rate of heat removal from the second end (226) of the Stirling engine based on the cathode blower control signal; and, a thermal management controller (228), which is configured to monitor a temperature of the cathode outlet (206) of the SOFC (202), and to modify the cathode blower control signal to maintain the temperature of the cathode outlet. (206) of SOFC (202) within a temperature range. 9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma fonte de oxigênio acoplada à saída (234) do soprador de cátodo (230).9. Apparatus, according to claim 8, characterized in that it further comprises: an oxygen source coupled to the output (234) of the cathode blower (230). 10. Aparelho, de acordo com qualquer das reivindicações 3 e 8, caracterizado pelo fato de que: a fonte de oxigênio é um oxidante.10. Apparatus according to any of claims 3 and 8, characterized in that: the source of oxygen is an oxidant. 11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma dentre uma temperatura da entrada de ânodo (208) da SOFC (202) e uma temperatura da entrada de cátodo (204) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo para manter pelo menos uma da temperatura da entrada de ânodo (208) da SOFC (202) e da temperatura da entrada de cátodo (204) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.11. Apparatus, according to claim 8, characterized in that: the thermal management controller (228) is configured to monitor at least one of a temperature of the anode input (208) of the SOFC (202) and a temperature of the cathode inlet (204) of the SOFC (202), and to modify the cathode blower control signal to maintain at least one of the anode inlet (208) temperature of the SOFC (202) and the temperature of the cathode inlet (204) of SOFC (202) within a temperature range. 12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma dentre uma temperatura do interior da caixa quente (201) e uma temperatura da saída de ânodo (210) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo para manter pelo menos uma da temperatura do interior da caixa quente (201) e da temperatura da saída de ânodo (210) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.12. Apparatus according to claim 8, characterized in that: the thermal management controller (228) is configured to monitor at least one of a temperature inside the hot box (201) and an anode outlet temperature (210) of the SOFC (202), and to modify the cathode blower control signal to maintain at least one of the hot box interior (201) temperature and the anode outlet (210) temperature of the SOFC (202) within a temperature range. 13. Aparelho, de acordo com qualquer das reivindicações 1 e 8, caracterizado pelo fato de que: a primeira extremidade (224) do motor de Stirling é acoplada à saída de ânodo (210) da SOFC (202).13. Apparatus according to any of claims 1 and 8, characterized in that: the first end (224) of the Stirling engine is coupled to the anode outlet (210) of the SOFC (202). 14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma fonte de combustível; um reformador de combustível (240) tendo uma entrada (242) e uma saída (244), em que a entrada (242) do reformador de combustível (240) é acoplada à fonte de combustível e à saída de ânodo (210) da SOFC (202); e, um soprador de ânodo (248) tendo uma entrada (250) e uma saída (252), em que a saída (252) do soprador de ânodo (248) é acoplada à entrada de ânodo (208) da SOFC (202), em que a primeira extremidade (224) do motor de Stirling acopla a saída (244) do reformador de combustível (240) à entrada (250) do soprador de ânodo (248).14. Apparatus, according to claim 8, characterized in that it further comprises: a source of fuel; a fuel reformer (240) having an inlet (242) and an outlet (244), wherein the inlet (242) of the fuel reformer (240) is coupled to the fuel source and anode outlet (210) of the SOFC (202); and, an anode blower (248) having an inlet (250) and an outlet (252), wherein the outlet (252) of the anode blower (248) is coupled to the anode inlet (208) of the SOFC (202). , wherein the first end (224) of the Stirling engine couples the outlet (244) of the fuel reformer (240) to the inlet (250) of the anode blower (248). 15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma dentre uma temperatura da entrada (242) do reformador de combustível (240) e uma temperatura da saída (244) do reformador de combustível (240), e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo para manter pelo menos uma da temperatura da entrada (242) do reformador de combustível (240) e da temperatura da saída (244) do reformador de combustível (240) dentro de uma variação de temperatura.15. Apparatus according to claim 14, characterized in that: the thermal management controller (228) is configured to monitor at least one of an inlet temperature (242) of the fuel reformer (240) and a temperature of the outlet (244) of the fuel reformer (240), and to modify the cathode blower control signal to maintain at least one of the inlet (242) temperature of the fuel reformer (240) and the outlet temperature (244). ) of the fuel reformer (240) within a temperature range. 16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma cabeça de gerador (262) acoplada a um eixo de saída de energia do motor de Stirling; e um barramento elétrico para distribuir eletricidade para o veículo (100), em que a SOFC (202) e a cabeça de gerador (262) são acopladas eletricamente ao barramento elétrico.16. Apparatus according to claim 8, characterized in that it further comprises: a generator head (262) coupled to an energy output shaft of the Stirling engine; and an electrical bus for distributing electricity to the vehicle (100), wherein the SOFC (202) and generator head (262) are electrically coupled to the electrical bus. 17. Método para recuperação de calor e controle de temperatura, caracterizado pelo fato de que compreende: monitorar uma temperatura de uma saída de cátodo (206) de uma Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC) (202), em que a SOFC (202) é circundada por uma caixa quente (201) que é termicamente acoplada a uma primeira extremidade (224) de um motor de Stirling; e, modificar uma taxa de remoção de calor a partir de uma segunda extremidade (226) de um motor de Stirling para manter a temperatura da saída de cátodo (206) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.17. Method for heat recovery and temperature control, characterized in that it comprises: monitoring a temperature of a cathode output (206) of a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) (202), wherein the SOFC ( 202) is surrounded by a hot box (201) which is thermally coupled to a first end (224) of a Stirling engine; and, modifying a rate of heat removal from a second end (226) of a Stirling engine to maintain the temperature of the cathode outlet (206) of the SOFC (202) within a temperature range.
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